Полупроводящие чешуйки фосфора толщиной всего лишь в несколько атомов могут оказаться весьма перспективным материалом для создания быстрых, потребляющих малое количество энергии и гибких электронных устройств. Тем не менее, одной главной проблемой в применении фосфора для создания электроники является то, что получение высококачественного черного фосфора протекает в течение длительного времени. В новой работе химики демонстрируют метод получения черного фосфора из раствора, который может позволить нарабатывать большие количества этого материала.

Как и другие ультратонкие материалы – графен и дисульфид молибдена, черный фосфор представляет собой весьма привлекательное вещество для применения в надежных, гибких и высокопроизводительных электронных схемах для создания смартфонов или других устройств.

По сравнению с иными двумерными материалами черный фосфор комбинирует хорошие полупроводниковые свойства с относительно высокой подвижностью заряда.

Электроны быстро перемещаются по черному фосфору, что позволяет осуществлять более быстрое переключение полупроводникового устройства и ускорять расчеты.

Исследователи начали работать над применением черного фосфора в электронике в 2014 году и к настоящему времени сконструировали из этого материала отдельные транзисторы, однако для создания современных микропроцессоров требуются сложные схемы, содержащие миллионы и миллиарды таких транзисторов.

В то время как инженеры по электронике думают о том, как получить более сложные устройства, химики озабочены более фундаментальной проблемой – созданием фрагментов материала, достаточных для обеспечения связи между электронными схемами. Как отмечает руководитель нового исследования Марк Херсам (Mark C. Hersam), метод, с помощью которого в настоящее время получают черный фосфор, аналогичен способу получения графена: механическая эксфолиация.

В ходе реализации этого метода исследователи разбивают кусок черного фосфора, а затем с помощью клейкой ленты отшелушивают слои материала толщиной всего лишь в несколько атомов. С помощью «метода клейкой ленты» исследователям удается получать лишь небольшие количества материала, что делает его производство непрактичным и замедляет прогресс в исследовании электронных свойств черного фосфора.

Исследовательская работа Херсама посвящена применению химии растворов для получения, сортировки и техники печати электронных материалов нового поколения, включая углеродные нанотрубки и графен.

Он поясняет, что

технологии, похожие на разработанные в его группе, могут быть использованы для эксфолиации черного фосфора в растворе.

Херсам и его коллеги помещали кристаллы черного фосфора и растворитель на дно кюветы для ультразвуковой обработки, в которой для перемешивания жидкости используется металлический зонд.

Комбинированное действие растворителя и ультразвуковой обработки позволяет разделять черный фосфор на частицы с размерами всего в нанометры, которые остаются суспендированными в жидкости.

Затем исследователи наносили полученные «чернила» на поверхность, покрыв ее случайно распределенными хлопьями черного фосфора, каждая такая чешуйка может быть превращена в транзистор. Испытания показали, что наиболее эффективным растворителем для эксфолиации черного фосфора является N-метилпирролидон, жидкость с большой поверхностной активностью.

Из чешуек черного фосфора, полученных с помощью метода «растворной эксфолиации», были получены транзисторы, подвижность заряда в которых сравнима с подвижностью заряда в наночастицах черного фосфора, полученных механической эксфолиацией.